軟土地基上重力式防波堤動力穩(wěn)定性及長期變形特性研究

馬 爽 欒明珠

（山東港通工程管理咨詢有限公司，山東 煙臺 264000）

0 引言

重力式防波堤具有良好的波浪抵御和放流導流作用，在海岸工程建設(shè)中得到了廣泛引用[1-3]。但是，建設(shè)場區(qū)山東省濱州北海經(jīng)濟開發(fā)區(qū)岔尖漁港位于套兒河河口處，濱州港后方，漁港漁業(yè)生物資源豐富，包括地方性和洄游性資源等。岔尖漁港港池水域面積較大，口門較寬，在惡劣天氣條件下，港池風浪較大，對漁船停泊來說有一定的安全隱患。現(xiàn)狀碼頭卸魚泊位數(shù)量較少，不能滿足漁船卸魚需求。漁港西側(cè)已有修船泊位1 個，無須臨時漁船維修區(qū)，現(xiàn)有臨時漁船維修區(qū)分割港池，降低了港池利用率，影響漁船停泊，不利于漁港的安全生產(chǎn)經(jīng)營和發(fā)展。因此，對漁港進行升級改造迫在眉睫。為降低波浪對港池的影響，在漁港口門處新建重力式防波堤是升級改造工程中的重要工作內(nèi)容。由于修建場區(qū)廣泛分布的是軟土地層，因此研究重力式防波堤的動力穩(wěn)定性和長期變形具有十分重要的意義[4]。

1 工程概況

山東省濱州北海經(jīng)濟開發(fā)區(qū)岔尖漁港升級改造工程新建防波堤98m，項目地理坐標范圍為東經(jīng)118°01＇33.18″~118°02＇28.27″，北緯38°08＇03.14″~38°08＇24.17″。為避免占用套兒河河道，防波堤方向為沿現(xiàn)有防波堤軸線向西轉(zhuǎn)角55°。漁港現(xiàn)有碼頭位于港池西側(cè)，受波浪影響較大，而港池北側(cè)泊穩(wěn)條件較好，該文設(shè)計在港池北側(cè)與原有碼頭相連接，新建東西向碼頭。碼頭長度約110m，寬度為7m，碼頭采用高樁結(jié)構(gòu)，承臺頂標高3.0m，底標高1.2m，承臺寬7m，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土。樁基礎(chǔ)沿承臺橫向布置2 根直樁，均采用PHC800B 管樁，縱向樁間距4.5m。碼頭前沿承臺下部安裝鋼筋混凝土靠船板，并設(shè)置系泊設(shè)施。防波堤采用斜坡式拋石結(jié)構(gòu)，底部鋪設(shè)0.5m 厚碎石墊層，堤心拋填10kg~100kg 開山石，護面采用1.0m 厚、300kg~500kg塊石護面，底部采用300kg~350kg 塊石護底。

2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)勘探孔揭露，場區(qū)主要有5 層，其工程地質(zhì)的力學指標參數(shù)見表1。

表1 場區(qū)各層土的力學指標參數(shù)

3 基于室內(nèi)三軸試驗的軟土動力穩(wěn)定性分析

為了研究軟土的動力穩(wěn)定性，該文在場區(qū)中對軟塑的粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)峰值黏土進行取樣，采用室內(nèi)三軸試驗的方法分別進行靜偏應(yīng)力作用和循環(huán)荷載作用抗剪強度試驗。試驗軟土樣本的天然容重γ為17.98kN/m3，天然含水量w為36.478%，容重Gs為2.73，液限wL為30.67%，塑限wp為14.35%，試樣高度為80mm，試樣直徑為39.10mm。在靜偏應(yīng)力作用時，圍壓應(yīng)力σc的選擇應(yīng)與軟土所處地層環(huán)境上覆土壓力一致，按深度范圍的上覆土壓力的平均值計算，如公式（1）~公式（4）所示[5-7]。

式中：γ為土層的容重，kN/m3；h為土層的深度，m；k0為土層靜止側(cè)壓力系數(shù)；μ為土層的泊松比；σx、σy、σz分別為土層空間3 個坐標方向上的應(yīng)力，z為重力方向。

經(jīng)計算可得，當室內(nèi)三軸試驗靜偏應(yīng)力作用時，圍壓為30kPa、45kPa 和60kPa，為了考慮不同偏應(yīng)力和固結(jié)度對土體的抗剪強度影響，分別設(shè)置5 種不同的試驗靜偏應(yīng)力，分別為15kPa、25kPa、35kPa、45kPa 和55kPa；設(shè)置5 種不同的固結(jié)度，分別為20%、40%、60%、80%和100%。室內(nèi)三軸試驗靜偏應(yīng)力作用下的試驗結(jié)果如圖1~圖3 所示。

圖1 圍壓為30kPa 時軟土的抗剪強度隨固結(jié)度的變化

圖2 圍壓為45kPa 時軟土的抗剪強度隨固結(jié)度的變化

圖3 圍壓為60kPa 時軟土的抗剪強度隨固結(jié)度的變化

從圖1~圖3 可以看出，軟土的抗剪強度與固結(jié)度、圍壓和偏應(yīng)力均明顯相關(guān)。當圍壓和偏應(yīng)力2 個參數(shù)相同時，抗剪嵌固與固結(jié)度2 個參數(shù)之間的關(guān)系為線性；當圍壓參數(shù)相同時，加載偏應(yīng)力的增加會導致軟土抗剪強度的增強；當偏壓應(yīng)力參數(shù)相同時，軟土抗剪強度會隨著圍壓的增加而增加。

室內(nèi)動三軸試驗采用英國GDS 動三軸試驗系統(tǒng)進行測試，按照應(yīng)變進行控制試驗進程，試驗試樣高度80mm，試樣直徑為39.10mm。試驗設(shè)置3 種不同的圍壓，分別為30kPa、45kPa 和60kPa，循環(huán)動應(yīng)力比為0.4，固結(jié)靜偏應(yīng)力為0。室內(nèi)三軸試驗循環(huán)荷載作用下的累積塑性應(yīng)變、應(yīng)力應(yīng)變測試結(jié)果分別如圖4 和圖5 所示。

圖4 不同圍壓條件下軟土的累積塑性應(yīng)變曲線

圖5 不同圍壓條件下軟土的剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線

從圖4 可以看出，隨著循環(huán)荷載加載次數(shù)的增加，不同圍壓條件下軟土的累積塑性應(yīng)變呈明顯的分段變化。在加載初期（＜150kPa）表現(xiàn)為近線形增加；大于150kPa后，累積塑性應(yīng)變呈不斷收斂的趨勢，并隨著圍壓的不斷增大，收斂穩(wěn)定值也不斷增加。

從圖5 也可以看出，軟土的剪切應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系也表現(xiàn)出明顯的分段變化規(guī)律。在小應(yīng)變階段（＜4%），剪切應(yīng)力應(yīng)變表現(xiàn)為明顯的線形關(guān)系；軸向應(yīng)變大于4%之后，剪切主應(yīng)力差表現(xiàn)為明顯的非線性，并不斷趨于收斂，隨著圍壓的增加，剪切主應(yīng)力差收斂值不斷增加。

4 軟土地基上重力式防波堤長期變形特性分析

為研究軟土地基上重力式防波堤的長期變形特性，運用ABAQUS 數(shù)值仿真軟件建立平面二維數(shù)值分析模型，模型中各土層采用Drucker-Prager 本構(gòu)模型進行分析，軟土的蠕變通過軟件自嵌入子程序creep 來實現(xiàn)，分別計算波浪循環(huán)荷載作用下重力式防波堤在50d、100d、1000d 和10000d 的沉降值。軟土地基上重力式防波堤不同時間點的沉降變形數(shù)值仿真結(jié)果如圖6 所示。從圖6 可以看出，隨著時間的增加，重力式防波堤的豎向沉降變形表現(xiàn)為明顯的非線性，且沉降趨于穩(wěn)定的時間較長，6000d 以后才達到收斂值0.435m。由此表明，當在軟土地基上修建重力式防波堤時，其沉降固結(jié)較緩慢，需要進行長期監(jiān)測。

圖6 不同時間軟土地基上重力式防波堤沉降變形曲線

5 結(jié)論

該文以山東省濱州北海經(jīng)濟開發(fā)區(qū)岔尖漁港新建防波堤為研究對象，運用室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬手段，研究軟土地基的穩(wěn)定性與長期變形，得出如下結(jié)論。1）軟土的抗剪強度與固結(jié)度、圍壓和偏應(yīng)力均明顯相關(guān)。當圍壓和偏應(yīng)力2 個參數(shù)相同時，抗剪嵌固與固結(jié)度2 個參數(shù)之間的關(guān)系為線性；當圍壓參數(shù)相同時，加載偏應(yīng)力的增加會導致軟土抗剪強度的增強；當偏壓應(yīng)力參數(shù)相同時，軟土抗剪強度隨著圍壓的增大而增大。2）隨著循環(huán)荷載加載次數(shù)的增加，不同圍壓條件下軟土的累積塑性應(yīng)變、剪切應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系均表現(xiàn)出明顯的分段變化規(guī)律。在小應(yīng)變階段表現(xiàn)為線形變化，而在大應(yīng)變階段趨于不斷收斂。3）在循環(huán)荷載作用下，軟土地基發(fā)生蠕變，其左側(cè)的沉降量最大，隨著時間的增加，重力式防波堤的豎向沉降變形表現(xiàn)為明顯的非線性，且沉降趨于穩(wěn)定的時間較長，6000d 以后才達到收斂值0.435m。